Des biologistes développent un dispositif de communication végétale

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| NTU

Depuis plusieurs années, les biologistes savent que les plantes sont capables de réagir à leur environnement et aux stimuli appliqués via divers mécanismes réactionnels. Récemment, une équipe de chercheurs a décidé d’exploiter cette réactivité des plantes en développant un dispositif de communication végétale. Grâce à cet appareil, les chercheurs ont été capables de transmettre des signaux électriques aux plantes, qui ont ensuite réagi de la manière souhaitée. Une grande avancée qui devrait ouvrir la voie à de nouvelles technologies de prévention des maladies végétales et au développement de robots végétaux. 

Une équipe de scientifiques dirigée par l’Université technologique de Nanyang, à Singapour (NTU Singapour), a développé un dispositif capable de transférer des signaux électriques vers et depuis les plantes, ouvrant la voie à de nouvelles technologies utilisant les végétaux. L’équipe NTU a développé son dispositif de communication végétale en fixant une électrode conformable sur la surface d’une Dionée attrape-mouche à l’aide d’un adhésif doux (de l’hydrogel).

Avec l’électrode fixée à la surface du piège à mouches, les chercheurs peuvent réaliser deux choses : capter des signaux électriques pour surveiller la réaction de la plante à son environnement et transmettre des signaux électriques à la plante, pour entraîner la fermeture de ses feuilles. Les biologistes savent depuis des décennies que les plantes émettent des signaux électriques pour détecter et réagir à leur environnement.

Détecter l’activité électrique des plantes

L’équipe de recherche pense que développer la capacité de mesurer les signaux électriques des plantes pourrait créer des opportunités pour une gamme d’applications utiles, telles que les robots à base de plantes qui peuvent aider à ramasser des objets fragiles ou à améliorer la sécurité alimentaire en détectant des maladies dans les cultures agricoles.

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Cependant, les signaux électriques des plantes sont très faibles et ne peuvent être détectés que lorsque l’électrode établit un bon contact avec les surfaces des plantes. Les surfaces velues, cireuses et irrégulières des plantes font qu’il est difficile pour tout appareil électronique à couche mince de se fixer et d’obtenir une transmission de signal fiable. Pour surmonter ce défi, l’équipe s’est inspirée de l’électrocardiogramme (ECG), qui permet de détecter les anomalies cardiaques en mesurant l’activité électrique générée par le cœur.

photo type electrode plante
Haut : électrode conformable restant fixée sur la structure de la plante malgré ses aspérités. Bas : électrode classique se détachant facilement en cas d’aspérités. © Wenlong Li  et al. 2021

Comme preuve de concept, les chercheurs ont attaché leur dispositif de communication à la surface d’une Dionée attrape-mouche — une plante carnivore avec des lobes de feuilles velus qui se referment sur les insectes lorsqu’ils sont détectés. L’appareil a un diamètre de 3 mm et est inoffensif pour la plante. Cela n’affecte pas la capacité de la plante à effectuer la photosynthèse tout en détectant avec succès les signaux électriques de la plante.

Une étape vers le développement de technologies végétales

Utilisant un smartphone pour transmettre des impulsions électriques à l’appareil à une fréquence spécifique, l’équipe a incité la plante à fermer ses lobes à la demande, en 1.3 seconde. Les chercheurs ont également attaché la Dionée attrape-mouche à un bras robotique et, grâce au smartphone et au dispositif de communication, ont stimulé sa feuille pour qu’elle se ferme et ramasse un morceau de fil d’un demi-millimètre de diamètre.

bras robotique plante carnivore
Haut : plante attachée à un bras robotique ; les signaux électriques qui lui sont envoyés permettent de la transformer en pince végétale. Bas : la plante peut s’ouvrir/se fermer sur commande pour piéger un objet. Wenlong Li  et al. 2021

Leurs résultats, publiés dans la revue Nature Electronics en janvier, démontrent les perspectives de la conception future de systèmes technologiques à base de plantes, selon l’équipe de recherche. Leur approche pourrait conduire à la création de pinces robotisées plus sensibles pour ramasser des objets fragiles qui pourraient être endommagés par les objets rigides actuels. L’équipe de recherche envisage un avenir où les agriculteurs pourront prendre des mesures préventives pour protéger leurs cultures, en utilisant le dispositif de « communication » des plantes qu’ils ont développé.

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« Le changement climatique menace la sécurité alimentaire dans le monde entier. En surveillant les signaux électriques des plantes, nous pourrons peut-être détecter d’éventuels signaux de détresse et des anomalies. Lorsqu’ils sont utilisés à des fins agricoles, les agriculteurs peuvent savoir quand une maladie est en cours, avant même que des symptômes à part entière n’apparaissent sur les cultures, comme des feuilles jaunies. Cela peut nous donner l’occasion d’agir rapidement pour maximiser le rendement des cultures », explique Chen Xiaodong, professeur de science et génie des matériaux à la NTU.

Une communication possible avec une grande variété de plantes

Cherchant à améliorer les performances de leur dispositif de communication végétale, les chercheurs ont également collaboré avec des chercheurs de l’Institut de recherche et d’ingénierie des matériaux (IMRE). Les résultats de cette étude distincte, publiée dans la revue Advanced Materials en mars, ont révélé qu’en utilisant un type d’hydrogel appelé thermogel — qui passe progressivement de liquide à un gel étirable à température ambiante —, il est possible de fixer leur appareil à une plus grande variété de plantes (avec différentes textures de surface) et obtenir une détection de signal de meilleure qualité, malgré le déplacement et la croissance des plantes en réponse à l’environnement.

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« Le matériau à base de thermogel se comporte comme l’eau à l’état liquide, ce qui signifie que la couche adhésive peut épouser la forme de la plante avant qu’elle ne se transforme en gel. Lors du test sur les tiges velues du tournesol par exemple, cette version améliorée du dispositif de communication végétale atteignait quatre à cinq fois la force adhésive de l’hydrogel commun et enregistrait des signaux significativement plus forts et moins de bruit de fond », explique Chen.

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Vidéo présentant le dispositif de communication végétale :

Sources : Nature Electronics, Advanced Materials

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